美國大學正在培養(yǎng)新一代半導體勞動力

《芯片與科學法案》可能需要5萬名新工程師。

2023年3月，旨在刺激美國芯片制造業(yè)的《芯片與科學法案》（The CHIPS and Science Act）剛開始申請法案所規(guī)定的500億美元資金的一部分，而芯片制造商們早已摩拳擦掌，做好準備。內(nèi)存和存儲器芯片制造商美光科技（Micron）計劃投資1 000億美元在紐約州北部建設一家新工廠。臺積電（TSMC）早已在亞利桑那州建設一家耗資120億美元的制造廠，隨著第二家工廠的開工，投資總額將達到400億美元。三星公司計劃投入170億美元，于得克薩斯州奧斯汀附近建設一家芯片制造廠。而在去年9月，英特爾公司在俄亥俄州中部投資200億美元建設的兩家新工廠中的第一家破土動工。

盡管這對于美國經(jīng)濟而言令人興奮，但也存在一個潛在的問題：芯片產(chǎn)業(yè)將在哪兒找到工廠運作、芯片設計所需要的合格勞動力？根據(jù)美國半導體行業(yè)協(xié)會2020年9月的報告，目前美國僅僅制造全球12%的芯片，和1990年時37%的比例相比大幅下跌。專家說，在過去30年里，半導體和硬件教育停滯不前。但是，《芯片與科學法案》若要成功，每家芯片制造工廠會需要數(shù)百名技術(shù)嫻熟的各類工程師和技術(shù)人員，他們接受的培訓各不相同，從兩年制副學士到博士都應該有。

美國的工程學校目前正在快馬加鞭培養(yǎng)人才。大學和社區(qū)學院在重新調(diào)整半導體相關(guān)課程，與其他學校和產(chǎn)業(yè)界打造戰(zhàn)略性合作伙伴關(guān)系，以便培訓運行美國芯片代工廠所需的勞動力。根據(jù)普渡大學電氣與計算機工程教授彼得 · 伯梅爾（Peter Bermel）的說法：“到2022年末，半導體行業(yè)有大約2萬個崗位空缺。即使這個領(lǐng)域的增長有限，在未來五年內(nèi)也需要多雇用至少5萬人。我們需要十分迅速地加大努力。”

英特爾公司進軍俄亥俄州

美國中西部地區(qū)可能以農(nóng)業(yè)和重工業(yè)而不是半導體而聞名，但由于研究型大學和技術(shù)學院數(shù)量眾多，芯片制造商認為這里是他們產(chǎn)業(yè)的沃土。

就拿英特爾公司來說，英特爾想要在俄亥俄州創(chuàng)造一片“硅核心地帶”。除了在一片4平方千米的場址上建設兩家前沿芯片工廠（該場址上還能容納六家工廠），英特爾公司也已經(jīng)承諾向俄亥俄州內(nèi)80家高等教育機構(gòu)提供5 000萬美元。這筆資金應該能幫助大學和社區(qū)學院升級課程、培訓和雇傭教員、提供設備，而英特爾公司也打算提供實習、指導和研究機會。

上述資金有一部分已經(jīng)流向俄亥俄州立大學，該大學會領(lǐng)導一個新成立的跨學科先進半導體制造研究與教育中心，將覆蓋10所州內(nèi)高校。大多數(shù)半導體相關(guān)課程都是針對電氣與計算機工程的學生設計的，但俄亥俄州立大學現(xiàn)在想要將其他學科的學生包含進來。俄亥俄州立大學在為學生們設計培養(yǎng)路線，讓他們掌握半導體相關(guān)技能，而且在改革那些學科的課程，以便反映最新的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。材料工程師將學習芯片封裝材料的新課程，產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)工程師會學習到半導體制造工藝，而機械工程師會逐步了解器件制造工具，俄亥俄州立大學工程學院院長艾安娜 · 霍華德（Ayanna Howard）這么說道：“現(xiàn)在，我們將制造業(yè)帶回美國，我們的課程如今在引進所有組件，要培訓出這些工程師的話，這些組件是一直以來都需要的，但卻并未成為大規(guī)模培養(yǎng)計劃的一部分。”

霍華德補充說，這片地區(qū)并無人才短缺的問題，因為制造業(yè)早已是俄亥俄州和美國中西部其他地區(qū)的主要經(jīng)濟活動。2011年時，俄亥俄州啟動一個名叫“就業(yè)俄亥俄”的倡議，以便在計算機科學、生物科技和醫(yī)療保健制造領(lǐng)域培養(yǎng)出更多科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）畢業(yè)生。如今的問題是要徹底革新課程，以便滿足半導體制造行業(yè)的需要。“當英特爾公司來到這片地區(qū)，它確實加強了我們一直在思考的種種舉措。”

除了領(lǐng)導州里的大學參與兩個項目，俄亥俄州立大學還在與其他10所中西部教育機構(gòu)合作——其中包括普渡大學和密歇根大學——從更加整體的角度思考工程教育。霍華德說道：“我們要如何創(chuàng)造出一套課程，允許那些可能不具備基礎條件——比如實驗室空間或訓練有素的教員——的大學也能給予學生半導體相關(guān)的經(jīng)驗？”

譬如，在2021年秋，俄亥俄州立大學試點了一個課程，使用臺式實驗室設備來教授學生芯片制造工藝，允許他們能在不具備昂貴的無塵室條件下學習。工程學院也在與創(chuàng)意美術(shù)系合作，開發(fā)增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實工具，未來讓學生能體驗到模擬的芯片制造工廠。

天水科技公司搬到普渡大學附近

英特爾正在開發(fā)的工廠以西大約400千米處，另一家芯片工廠的建設計劃已經(jīng)敲定。2022年7月，天水科技宣布在印第安納州西拉斐特的一處工業(yè)園區(qū)投資18億美元建設一家芯片制造廠，天水科技是一家采用專業(yè)和成熟工藝來制造芯片的代工公司。毗鄰的普渡大學已經(jīng)推出一個全新的跨學科半導體學位計劃，給予本科生和研究生一系列選項，讓他們能獲得半導體行業(yè)所需的核心技能。傳統(tǒng)的電子工程課程涵蓋集成電路和芯片設計，但新學位計劃教授其他的芯片制造的關(guān)鍵步驟，包括化學、材料學、工具、制造和封裝，甚至還有供應鏈管理。學生可以選擇輔修課程，取得碩士學位，或者獲得輔修證書。

天水科技的代表會在該計劃的介紹性研討課程中告知學生各種不同的職業(yè)選擇。學生被保證將獲得普渡大學納米技術(shù)中心和半導體公司的學習經(jīng)驗。進階課程涵蓋半導體材料和器件、與產(chǎn)業(yè)相關(guān)的單片系統(tǒng)設計。該計劃依賴于普渡大學受到美國國防部資助、于2020年啟動的SCALE項目（旨在培訓本科生設計和制造用于太空的半導體）。“SCALE專注于國防的微電子器件，但SCALE和半導體學位計劃是協(xié)同的。”普渡大學的伯梅爾教授說道，“芯片在許多方面的確切應用空間是不可知的。”

今年，普渡大學會啟動一個全新的計劃，旨在為天水科技公司培訓工人。這個計劃受到印第安納州和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展組織的支持，會通過合作伙伴常春藤技術(shù)社區(qū)學院的副學士課程，涵蓋操作員和技術(shù)員培訓。除了開發(fā)有針對性的課程作業(yè)和在公司實習的制度，普渡大學團隊還計劃外延到本地高中，介紹附近芯片加工廠的工作機遇，希望借此能吸引更多學生進入工程專業(yè)。

暑假時能在天水科技佛羅里達代工廠實習的機會讓普渡大學本科生阿妮卡 · 布巴勒姆（Anika Bhoopalam）對半導體行業(yè)的興趣更加濃厚。布巴勒姆是名大四學生，主修化學工程，輔修電氣與計算機工程。她感覺自己學習的物理學、材料科學和工程課程，結(jié)合科研實驗室里制造薄膜和太陽能電池的經(jīng)歷，已經(jīng)讓她準備得很充分。她會繼續(xù)攻讀博士學位，主攻材料科學和固體物理學，這樣她就可以繼續(xù)做芯片制造的工作。“我發(fā)現(xiàn)半導體行業(yè)是個快節(jié)奏、激動人心的有趣領(lǐng)域，你每天都能處理不同的任務。”

伊利諾伊州改善芯片教育

傳統(tǒng)上，學生到了研究生院才會開發(fā)、構(gòu)造和檢測集成電路。但大學正在嘗試更早地提供第一次動手實踐的經(jīng)歷。在2021年秋，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的電氣與計算機工程教授帕萬 · 哈努莫盧（Pavan Hanumolu）和拉凱什 · 庫馬爾（Rakesh Kumar）設計一個名叫“先進系統(tǒng)設計”的課程，引導高年級本科生了解集成電路制造的每一步。

“這是基本的內(nèi)容，”哈努莫盧說，“公司不想學生在工作時才學習這些內(nèi)容。假如我們能提供這些技能，那么也許能縮短培養(yǎng)路徑，盡快擴大芯片產(chǎn)業(yè)的人才池。”

學生以團隊形式合作，定義問題，設計一片能用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路來解決問題。設計方案發(fā)送給臺積電進行制造，之后學生檢測芯片，按照需要重新設計電路，為芯片生成印刷電路板。庫馬爾說，迄今為止，30名學生已經(jīng)上過該課程，其中一些人已經(jīng)在蘋果、英特爾和西門子之類的公司里實習或工作。“雇主賞識我們的學生所經(jīng)歷的嚴格教育，”哈努莫盧說，“他們知道這些學生畢業(yè)時會掌握獨特的技能組合。”

亞利桑那州迎來臺積電

先進的芯片制造廠在美國中西部也許屬于新事物，但在美國西南部，亞利桑那州立大學早已搶先為美國蓬勃的芯片產(chǎn)業(yè)做好準備。1960年代，摩托羅拉公司選擇鳳凰城附近的沙漠作為工廠地址。航天和防務公司隨后又來到這兒，接著英特爾公司在1980年代來到這兒，它們的工廠目前仍在擴張。2021年臺積電位于鳳凰城的大型芯片工廠破土動工。亞利桑那州立大學工程學院院長凱爾 · 斯夸爾斯（Kyle Squirs）說，與這些公司的合作為亞利桑那州立大學半導體教育和科研打造堅實的基礎。

他說：“半導體的源頭要追溯到1960年代，你能在我們的DNA中看到。”電子工程學院的教師中有很大一部分人擁有產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，與產(chǎn)業(yè)界有緊密聯(lián)系。他們將專業(yè)知識帶入硬件工程課堂和實驗室，讓學生能獲取到獎學金、研究機會、實習崗位，甚至是工作職位。斯夸爾斯說：“這對于我們來說是一種與這些公司維持交流的方式，知道它們在做些什么，將往哪個方向發(fā)展。技術(shù)需要繼續(xù)往前發(fā)展，大學課程也是同樣的道理。科研給教學灌輸信息，反過來教學也幫助了科研。這是一種反饋循環(huán)。”

亞利桑那州立大學擁有一處大型微電子研究設施，最初是摩托羅拉公司的一家半導體工廠。大三和大四的電氣工程學生能選擇選修課程，那些課程給予他們在無塵室里直接進行半導體加工的經(jīng)驗。同時，研究生能獲取15個學分的半導體加工證書，該課程會培訓學生接觸芯片制造的各個方面。斯夸爾斯承認，對于大多數(shù)大學來說，將價值數(shù)百萬美元的加工設備投入到本科生實驗室里并不現(xiàn)實，因此，與產(chǎn)業(yè)合作伙伴建立關(guān)系能幫助彌補這一差距。

社區(qū)學院可能成為關(guān)鍵

英特爾公司不僅僅將自己視作一名合作伙伴，更是將自己視為升級高等教育體系、培養(yǎng)所需勞動力的催化劑，英特爾公司的大學科研合作總監(jiān)加布里埃拉 · 克魯茲 · 湯普森（Gabriela Cruz Thompson）說道。英特爾作為美國少數(shù)幾家仍然在自行生產(chǎn)大多數(shù)晶圓的半導體公司之一，正在擴張它位于亞利桑那州、新墨西哥州和俄勒岡州的工廠。其結(jié)果是將創(chuàng)造7 000個工作崗位，其中大約70%的崗位會招收擁有兩年制學位的人，25%的崗位會招收擁有本科、碩士和博士學位的人才。

然而，自新冠疫情以來，英特爾公司為了維持工廠的運作，一直要努力尋找足夠的擁有兩年制學位的操作人員和技術(shù)員。這使得社區(qū)學院成為微電子勞動力拼圖中至關(guān)重要的一塊，湯普森說道。在俄亥俄州，英特爾公司將大多數(shù)教育資金給予職業(yè)技術(shù)學院和社區(qū)學院，它們能給現(xiàn)在的先進制造課程增加針對半導體的培訓。英特爾公司也在請求大學給社區(qū)學院的學生提供在無塵室里實際動手操作的體驗。

類似地，三星公司和硅谷實驗室在奧斯汀通過獎學金、暑假實習崗位、導師計劃等方式，投資了鄰近的社區(qū)學院和職業(yè)技術(shù)學院。三星公司在奧斯汀社區(qū)學院支持一個為高中學生提供技術(shù)培訓的倡議。同時，三星公司的芯片工廠學徒計劃允許學生一邊完成副學士學位，一邊每周在三星公司工作兩天。三星奧斯汀半導體公司的傳播與社區(qū)事務部門主管米歇爾 · 格萊茲（Michele Glaze）說：“我們支付全額學費和書本費用，只要學生能保持3.0或更高的平均績點（GPA）。”

勞動力短缺到處存在

半導體行業(yè)人才短缺并非美國本土獨有的問題。中國臺灣制造了全世界大約65%的芯片，但根據(jù)報道，尋覓年輕的半導體工程師已經(jīng)變得很困難。全球各地的半導體公司都在爭奪人才：它們提高薪酬，向本科生——甚至是職高學生——分發(fā)獎學金、實習崗位和導師培養(yǎng)的機會，希望更早地吸引他們。“隨著對先進半導體的需求持續(xù)上升，芯片制造商爭奪人才，我們看到勞動力的供給落后于高需求量。”三星公司的格萊茲說道。

三星公司與韓國的四個主要大學合作，提供量身定做的課程，培養(yǎng)半導體研發(fā)和制造領(lǐng)域的學生。同時，中國臺灣地區(qū)的政府與芯片公司合作，向頂尖大學專注于芯片的研究生院投入3億美元，培訓下一代的半導體工程師。

英特爾公司的湯普森說，吸引更多學生來學習工程是個大問題。軟件行業(yè)富有吸引力的工作已經(jīng)導致電氣工程和計算機科學之間的平衡發(fā)生轉(zhuǎn)變。“學術(shù)界說我們正在失去電氣工程的學生，他們都跑到軟件專業(yè)去了。但我們也需要軟件。我認為，整個情況是我們需要更多選擇STEM的學生。”

也許，《芯片與科學法案》正是將半導體置于聚光燈下、吸引學生攻讀硬件相關(guān)學位所需要的。伯梅爾教授說，在普渡大學，他發(fā)現(xiàn)人們對每年9月份招聘會上的半導體信息越來越感興趣。以往，這個招聘會上有十幾家半導體公司雇主，但2022年9月的招聘會上出現(xiàn)28家半導體公司，吸引超過600名學生。半導體行業(yè)若要更加成功地向前發(fā)展，軟件行業(yè)的做法也許值得借鑒。這些做法包括“假如有可能的話，甚至對只念完一年的本科生也提供更好的機遇，支付豐厚的薪水，但也要讓大眾更清楚地明白半導體公司為何如此重要”。

資料來源 IEEE Spectrum